[论文笔记] Image Super-Resolution by Neural Texture Transfer (CVPR2019)

题目：Image Super-Resolution by Neural Texture Transfer

代码：https://github.com/ZZUTK/SRNTT

会议：CVPR 2019

1. 简介

本文是Adobe发表在CVPR2019的基于参考图像的图像超分辨率重建论文，本文借鉴图像风格化 （image stylization）中神经纹理迁移（Neural Texture Transfer）思想，利用参考图像中的纹理，弥补低分辨率图像的细节信息。本文方法主要包括两步：1）特征空间的纹理匹配，2）移匹配的纹理。另外，本文提出一个CUFFED5数据集，这个数据集包含不同相似级别的参考图像。

2. 动机

对于传统的SISR问题，虽然使用感知相关的约束,比如感知损失（perceptual loss）和对抗损失（adversarial loss）能提升图像质量，使图像看起来更清晰，但是会生假的纹理（hallucinate fake textures）和人工的特征（artifacts）。也就是说，使用感知损失常常得不到真实的纹理细节信息。

基于参考（reference-based）的方法, 即RefSR，通过利用高分辨率（HR）参考图像的丰富纹理来补偿低分辨率（LR）图像丢失的细节。但是之前的方法需要参考图像与LR包含相似的内容，并且需要图像对齐，否则的话，这些方法效果会很差。RefSR理想上应该可以有效利用参考图像，如果参考图像与LR不同，也不应该损害LR的复原效果，即RefSR应不差于SISR。

为了解决传统RefSR的缺点，本文不需要图像对齐，而是通过在特征空间上匹配的方法，将语义相关的特征进行迁移·。

3. 方法

SRNTT整体框架,主要包含局部纹理特征匹配（交换）和纹理迁移两部分

3.1. Feature swaping（特征匹配/交换）

特征的匹配是在$I^{LR\uparrow }$和 $I^{Ref}\&I^{Ref\uparrow \downarrow }$的特征空间中进行的，因为LR图像比较模糊，所以将参考图像进行下采用&上采样的模糊化,。
如何计算两个局部特征纹理相似性呢？对于两个特征patch，使用内积计算相似性。

上式，计算了LR的 i-th patch和模糊化参考图像 的 j-th patch的相似性。注意，对参考patch进行了归一化。可以通过卷积或者互相关来加速以上计算过程：

$S_j$即表示 s-th patch 相对 LR的相似性。相当于一个卷积核对LR进行卷积，计算结果即为Similarity map。因为在LR和Ref的特征空间中密集采样，所以每个LR位置都对应多个不同的卷积核的卷积结果，对应多个不同相似性的纹理特征。基于Similarity map，选择LR每个位置的相似性最高的Ref patch，构成交换特征图M (swapped feature map)：

即M在（x,y）位置对应的Ref patch是similairty score最大的Ref patch。由于每一个位置对应一个Ref patch，所以这些patch是重叠的，在重叠位置，取平均。另外，注意计算相似性是使用$I^{Ref\uparrow \downarrow }$，纹理迁移则是利用$I^{Ref}$。

在实现上，利用VGG-19提取特征，relu1_1, relu2_1,relu3_1用于多个尺度上纹理编码，但是为了加快匹配，只在relu3_1层进行匹配，将匹配结果对应到relu1_1和relu2_1。

3.2. Neural Texture Transfer(神经纹理迁移)

有了多尺度的swapped feature map，如何进行纹理迁移呢？采用residual blocks和跳跃连接方式，融合LR的特征和swap特征，并通过sub-pixel conv上采样。

3.3. 损失函数

目标：1）保留LR的空间结构，2）提升SR的视觉质量，3）充分利用Ref的丰富纹理。提出四个loss function：

• Reconstruction loss: SR与HR的L1距离
  
  
• Perceptual loss： 采用VGG-19的relu5_1层
  
  
• Adversarial loss：利用 WGAN-GP
  
• Texture loss：纹理损失是为了让SR的纹理与Ref纹理更接近，另外，通过使用similarity map作为权重，抑制不相似纹理的惩罚，放大相似纹理的惩罚，这样可以自适应地进行纹理迁移
  

其中，$G_r$计算 Gram matrix。

3.4. 数据集

本文基于CUFED构建了一个数据集，数据集包含不同相似度的LR-HR-Ref 图像对。共有4个相似度级别，不同的相似度是基于SIFT特征匹配计算的。测试数据集包含Sun80和Urban100。

4. 实验结果

定量来看，如果只考虑PSNR, SRNTT-L2也是优于SISR方法的。

使用其他loss，虽然降低PSNR，但是获得更精细的纹理。下图明显看出，SRNTT相比SRNTT-L2细节更真实，更清晰。

通过与CrossNet对比，可以看出，当Ref与LR差别很大，CrossNet复原结果包含Ref不相关的纹理，而SRNTT可以有效抑制不相关纹理的影响。后面两张说明好的Ref可以显著提高SR效果。